关于宇宙大一统模型的研讨

徐文平，王天宇，陈若飞，陈景宁，李牧航

（东南大学，南京 210096）

0 引 言

随着时代的进步，宇宙天体运动观测数据不断增加，人类对宇宙天体和谐运动的科学认识不断提高[1，2]。

量子力学理论和爱因斯坦相对论是现代宇宙物理学大厦的基石，由于两个理论的不完善性，导致宇宙物理学存在几朵乌云[3，4]。

星系旋转、宇宙大爆炸原因、黑洞辐射和引力子等问题是亟需研究的热点难题[5，6]。

观察宇宙，了解宇宙，建立宇宙大统一的模型探讨，合理解释宇宙运动规律，发展牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦和霍金等科学家的研究成果，具有非常重要的研究意义[7，8]。

本文建立旋转足球状奇点外宇宙模型，拟解决宇宙星系膨胀和星系旋转的问题；进行黑洞的内部分层结构研究，拟解决宇宙大爆炸的原因，进行黑洞引力辐射的研讨；类似磁单极子磁场理论，建立能量纠缠引力波的麦克斯韦方程组，探寻引力子的本质；针对强引力场状况下高速运动物质的引力问题，提出了万有引力的修正公式，简化了水星进动的计算问题。

1 旋转星系的动力能量源泉

牛顿万有引力和爱因斯坦广义相对论是研究宇宙天体运动的两个重要理论，推动了宇宙学的科学研究。

中子星、类星体和星际分子的发现促进了宇宙学的发展，丰富了宇宙天体学的内涵。

詹姆斯·韦伯太空望远镜的成功升空，进一步推动了太阳系、银河系、本星系群、室女座超星系团、拉尼亚凯亚超星系团、宇宙长城等宇宙天体运动的观察。

银河系是太阳系所在的棒旋星系，扁平状银河系高速飞向巨引源，人类是非常关心银河系的演化，银河系高速平移和自旋运动轨迹是值得深入研究课题。

目前，科学家认为暗物质和暗能量是驱动宇宙天体运动的源泉，认为暗物质和暗能量控制了宇宙不断膨胀和星系旋转，但是，暗物质和暗能量科研并没有获得实质性成果。

宇宙天体运动规律十分井井有条，引力就像是一个看不见的大手把整个宇宙中的星系都安稳地处理好，如何建立大统一的宇宙天体动力学模型，精确推演宇宙天体运动的过去、现在和未来的运动轨迹，是天文学家面临的一个重大技术难题。

银河系是扁平状的漩涡星系如图1所示，银河系如何演化成如今的样子，它未来的命运又将怎样，是目前天文学研究的热点领域之一。

图1 旋转的银河系

台风是一种热带气旋，由于地球旋转的科里奥利偏向力的驱动作用，北半球台风均是逆时针旋转如图2所示。

图2 旋转的台风

对比旋转银河系和旋转台风的图片，可以发现，两者均是大尺度的扁平状旋转运动天体，可以采用类似的漩涡动力学方程描述。

宇宙在加速膨胀，暗物质和暗能量是驱动宇宙膨胀的源泉，宇宙星系在高速远离地球，银河系也是向着巨引源方向高速飞奔。

浩瀚的银河系直径足足有10 万光年，银河系中心黑洞的质量提供的向心力还不足以让星系边缘的天体绕其运动，银河系自旋现象与引力理论发生冲突，美国的天文学家维拉·鲁宾通过研究银河系恒星绕转中心黑洞运动速度到中心黑洞距离的旋转曲线，发现恒星的运动速度并没有随着距离的增加而递减。

宇宙星系的旋转曲线表明，星系外围恒星天体的运行速度与内部恒星天体的运行速度两者近乎相同，外围恒星速度远超预期的速度，因此，驱动银河系旋转的动力源泉是暗物质和暗能量。

暗物质和暗能量是目前解释宇宙膨胀和宇宙星系旋转的最热门理论，但是，目前仍没有暗物质和暗能量的直接观测证据。

C60 足球烯是单纯由碳原子结合形成的稳定分子，它具有60 个顶点和32 个面，其中12 个为正五边形，20 个为正六边形。

借鉴C60 足球烯模型，在60 个顶点处均是没有爆炸的外宇宙奇点，形成旋转足球状奇点外宇宙模型如图3所示，新宇宙模型可以用于对大尺度本宇宙的时空结构、运动形态和物质演化等进行理论描述。

图3 旋转足球状奇点外宇宙模型

宇宙的暗物质和暗能量其实就是旋转足球状奇点外宇宙模型中的外宇宙奇点，旋转足球状奇点外宇宙是驱动本宇宙运动的动力源泉。

足球状奇点外宇宙的巨大引力使得宇宙星系加速膨胀，宇宙膨胀的动力源泉是足球状奇点外宇宙，足球状奇点外宇宙就是暗物质和暗能量。

对于宇宙星系，足球状外宇宙奇点的巨大引力拉着星系向外飞奔，在星系的上下方向，足球状外宇宙奇点引力是上下平衡的，因此，宇宙星系均是扁平形状的，银河系和太阳系是漂浮在宇宙空中的。

在宇宙星系的中央位置，由于存在星系中心黑洞，因此，宇宙星系在中央位置是微微凸起的。

宇宙星系是微微翘曲的结构，其运动方向的两个外端是微微翘曲的，其原因是，足球状外宇宙奇点群也是在旋转运动中的，因而，旋转的足球状外宇宙奇点群带动着扁平状宇宙星系做弧线运动，导致了宇宙星系的外端微微翘曲。

旋转足球状奇点外宇宙可以对于宇宙星系产生一个暗能量引力漩涡场，旋转足球状奇点外宇宙对宇宙星系产生科里奥利力，科里奥利力导致了宇宙星系旋转曲线的奇异平直性，犹如地球旋转的科里奥利偏向力驱动台风旋转，足球状奇点外宇宙旋转的暗能量引力漩涡场是驱动宇宙星系旋转的巨大动力源泉。

在太阳系中，太阳质量比值为99.86%，太阳是绝对的主导地位，因此，太阳系的暗物质和暗能量的引力作用非常微弱。

足球状奇点外宇宙替代暗物质和暗能量的引力作用，旋转足球状奇点外宇宙维持了本宇宙的稳定性，本宇宙的动力学演化是非常和谐的。

足球状奇点外宇宙引力作用和星系群之间万有引力作用的两者双重引力作用一起共同驱动本宇宙天体运行，宇宙天体是有序运动之中。

宇宙星系之间的万有引力作用，使得银河系和仙女星系等星系群互相靠近形成本星系群，多个星系构成了室女座超星系团、拉尼亚凯亚超星系团、宇宙长城。

足球状奇点外宇宙引力作用可以使得本星系群、室女座超星系团、拉尼亚凯亚超星系团、宇宙长城等宇宙天体进行着有序的宇宙高速膨胀运动，C60 足球状奇点外宇宙模型的多个外宇宙奇点应该是对应着多个宇宙长城，更多的宇宙长城将会被科学发现。

对于旋转足球状奇点外宇宙模型，可以假定，旋转足球状奇点外宇宙的中心位于牧夫空洞位置，足球状外宇宙奇点质量取值70%本宇宙质量，足球状外宇宙直径和旋转角速度等其他参数可以分析推算而得。

建立旋转足球状奇点外宇宙模型，输入宇宙天体的参数，模仿旋转台风分析计算方法，分析宇宙星系旋转的科里奥利偏向力，应用流体力学哈密尔顿理论和金斯天体运动学理论，建立足球状奇点外宇宙引力旋转场，采用超级大型计算机，可以精确推演宇宙天体的过去、现在和未来的运动轨迹，解释宇宙动力学的奥秘。

牛顿万有引力定理建立了太阳系动力学模型，如今，建立宇宙旋转星系的动力学模型势在必行。

旋转足球状奇点外宇宙模型可以很好地描述宇宙星系的运动轨迹，也解答了银河系暗物质和暗能量的本质，进行本宇宙星系天体的动力学的演化分析，具有划时代的研究意义。

2 宇宙大爆炸的原因

比利时天文学家勒梅特提出了宇宙大爆炸假说，认为宇宙是由致密炽热的奇点膨胀爆炸而来。

美国天文学家哈勃提出了著名的哈勃定律，表明星系的退行速度与它们和地球的距离成正比，宇宙是在不断膨胀的，可作为支持宇宙大爆炸的一个重要证据。

美国科学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现宇宙微波背景辐射，宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸遗留下来的电磁波辐射。

德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦场方程的一个真空解，提出了黑洞史瓦西半径计算公式，英国物理学家斯蒂芬·威廉·霍金提出了黑洞辐射理论，促进了宇宙黑洞的研究。

我们的宇宙起源于138 亿年前的一次大爆炸，在宇宙大爆炸前宇宙奇点是什么状态，宇宙大爆炸的原因又是什么，这是一个需要研究的问题。

恒星级黑洞奇点和宇宙级黑洞奇点两者具有一定的关联性，进行恒星级黑洞的内部结构研究将有利于搞清宇宙级黑洞结构的奥秘。

在宇宙中，卫星、行星和恒星是多层的星球结构，因此，白矮星、中子星和恒星级黑洞也应该是多层的星球结构。

中子星是大质量的恒星（至少是太阳的8倍大）演化到末期，经由引力坍缩发生超新星爆炸之后，形成一个高密度的星球。

依据泡利不相容原理，由于电子简并压力的原因，中子星不会继续引力坍缩，中子星是由中子球核、铁质球壳、碳质球壳和外层少量气体组成，中子星球直径约为20 千米。

恒星级黑洞是宇宙中一颗大质量的恒星（至少是太阳的20 倍大）在经过红超巨星阶段和超新星爆发后，由于引力坍缩成为的一个黑洞，在其史瓦西半径范围内连光也无法逃逸。

由于中子简并压力的原因，恒星级黑洞不会继续引力坍缩成为一个黑洞奇点，恒星级黑洞会形成一个夸克星球，恒星级黑洞是由夸克球核、中子球壳、铁质球壳和碳质球壳组成如图4所示。

图4 恒星级黑洞的内部分层结构模型

恒星级黑洞和中子星均是大质量的恒星在引力坍缩发生超新星爆炸之后形成死亡恒星，两者形成机理类同，因此，恒星级黑洞直径必定是大于中子星直径，恒星级黑洞其中的夸克球核也许不大于中子星直径，中子星球直径约为20～35 千米。

星系级黑洞是诞生于宇宙大爆炸之初期，由于夸克简并压力的原因，星系级黑洞也不会继续引力坍缩成为一个黑洞奇点，星系级黑洞会形成一个先子星球，星系级黑洞是由先子球核、夸克球壳、中子球壳和铁质球壳组成。

银河系中心黑洞质量约为太阳的400 万倍，其史瓦西半径约为1 270 万千米，银河系中心黑洞的球体半径估算约为1 500 千米。

大于普朗克长度尺寸的基本粒子符合现有的量子力学理论，费米子是构成物质骨架的基本粒子，遵循泡利不相容原理；零质量玻色子是作为交换粒子，负责相互作用力，玻色子基本粒子的极限速度是光速。

依据哲学思想，现有的基本粒子应该是可以继续分割，为了研究宇宙大爆炸前宇宙黑洞奇点的结构模型，需要对小于普朗克长度尺寸的基本粒子进行一些猜想和假定，从而修正现有的量子力学理论。

可以假定量子纠缠速度为10 亿倍光速，宇宙中费米子的最小极限长度尺寸调整为1.6×10-38m（普朗克长度尺寸的千分之一），宇宙最小的费米子命名为X 粒子，宇宙最小的玻色子命名为Y 粒子。

宇宙最小的X 粒子是由超弦构成，由于费米子X 粒子的简并压力的原因，宇宙级黑洞也不会继续引力坍缩成为一个黑洞奇点，宇宙级黑洞会形成一个X 粒子星球，宇宙级黑洞是由X 粒子球核、先子球壳和夸克球壳组成，超光速Y 粒子能量汤是在宇宙级黑洞X 粒子球核中进行高速运动。

宇宙级黑洞不断吸收宇宙星系物质，宇宙级黑洞直径不断增加，宇宙级黑洞外部的先子球壳和夸克球壳有所变薄，宇宙级黑洞内部的X 粒子球核直径不断加大，超光速Y 粒子能量汤也不断增加，超光速Y 粒子能量汤运动导致宇宙级黑洞内部膨胀力不断增加，当宇宙级黑洞质量到达一定的临界质量，宇宙级黑洞内部膨胀力撑破外部的先子球壳和夸克球壳结构，形成宇宙大爆炸。

在图5中，宇宙的总质量约为1 053 千克，其史瓦西半径约为157 亿光年，可观测宇宙的自然半径小于其自身的史瓦西半径，我们可能生活在一个超级黑洞之中，宇宙级黑洞的球体半径估算约为10 万光年。

图5 宇宙级黑洞的内部分层结构模型

量变质变，随着宇宙级黑洞质量增加，宇宙级黑洞发生大爆炸是其必然的命运，宇宙级黑洞的演化是生生不息循环的，宇宙级黑洞不会演化为无限大的球形天体，宇宙级黑洞也不会坍缩为一个奇点。

宇宙大爆炸的初速度是超光速的，宇宙大爆炸的动力来源于宇宙级黑洞内部膨胀力，宇宙大爆炸将宇宙级黑洞炸得粉碎。

宇宙大爆炸后，随着温度降低、冷却，逐步形成原子、分子，并复合形成气体，气体凝聚形成星云，星云进一步形成恒星、星系，最终演化形成如今的宇宙。

在宇宙级黑洞超光速大爆炸时，外部的先子球壳被炸四分五裂，大一些的碎块是星系级黑洞的种子，因而，在宇宙大爆炸之初期就形成了大质量的星系级黑洞。

在宇宙级黑洞超光速大爆炸时，小一些的先子球壳的碎块并不是中等质量的黑洞的种子，由于质量太小，其引力约束不够，并不能够抵御先子球壳碎块的内部膨胀力，先子球壳的碎块发生二次爆炸，因而，在宇宙大爆炸之初期并不能形成中等质量的黑洞。

在宇宙中，现有少量的中等质量的黑洞主要是由小质量恒星级黑洞合并而来，由于我们的宇宙仅仅138 亿年非常年青，中等质量的黑洞合并过程比较缓慢，因此，中等质量的黑洞是非常稀少的。

依据泡利不相容原理，根据钱德拉塞卡极限和托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限，确定各级粒子的兼并压力，进行分层迭代计算，从而恒星级黑洞、星系级黑洞和宇宙级黑洞等三种黑洞的直径可以精确计算。

3 黑洞辐射的探讨

霍金依据量子效应理论提出一种黑洞散发出的热辐射的理论，形成了著名的黑洞辐射理论，霍金黑洞辐射理论可以阐述小黑洞失去质量导致黑洞蒸散的现象。

问题在于，传统的热辐射是具有温度而辐射电磁波的现象，由于黑洞质量巨大，电磁波光速度太低无法逃逸，因此，光速太慢了，黑洞辐射应该是一种超光速的能量波。

电磁波是交替变换的电场和磁场形成的，其真空中的传播速度为光速，具有波粒二象性，其粒子形态称为光量子，光量子的几何尺寸约为普朗克长度尺寸，光量子的静止质量为零的玻色子，电磁力是通过交换光子传播的。

可以猜想，质量能量犹如电荷，量子纠缠场犹如磁场，交替变换的质量能量场和量子纠缠场两者将会形成能量纠缠引力波。

能量纠缠引力波的传播速度为量子纠缠速度，量子纠缠速度约为10 亿倍光速，能量纠缠引力波具有波长非常大频率非常低的特点，能量纠缠引力波也是具有波粒二象性，其粒子形态称为引力子，引力子的几何尺寸远小于普朗克长度尺寸，引力子是静止质量为零的玻色子，引力子的穿透能力远远胜过中微子，引力是通过交换引力子传播的。

引力子、光量子、W 及Z 玻色子和胶子是四种能量量子，四种能量玻色子可以传播引力、电磁力、弱相互作用力和强相互作用力，因此，四种基本力可以实现量子力学的大统一理论。

分析表明：黑洞辐射是应该是散发出来的能量纠缠引力波，量子纠缠速度的能量纠缠引力波可以逃逸出黑洞，能量纠缠引力波也是一种热能量辐射。

电磁波光速太慢了，控制宇宙动力学是超光速的能量纠缠引力波和引力子，引力子以量子纠缠速度逃逸出黑洞。

在不远的将来，人类将会掌握引力子技术的本质，可以实现能量纠缠引力波通信，研究黑洞天体的演化，也可探寻宇宙级黑洞的距离和重量等信息。

4 引力的本质

宇宙的一切存在其实是能量波，能量禁闭于微观粒子中就是物体的质量，质量就是能量，物质辐射是输出能量波，物体辐射能量的同时也损失了其质量。

麦克斯韦四个方程组揭示了电磁相互作用的完美统一，其物理意义是：电场是有源场，磁场是无源场，变化的磁场激发产生电场，传导电流和变化的电场激发产生磁场。

麦克斯韦利用四个方程组将电、磁、光统一了起来，推导了电磁波的速度，并预言光的本质是电磁波。

量子纠缠是一种真实存在的量子力学现象，量子纠缠现象是超光速的，所有的微观粒子之间通过量子纠缠相互作用，量子纠缠场犹如磁场。

种种迹象表明：质量能量场和量子纠缠场犹如电磁场，质量能量犹如电荷，牛顿万有引力公式和库伦公式类似；量子纠缠场犹如磁场，量子纠缠场也是一种特殊的物质，因此，交替变换的质量能量场和量子纠缠场两者将会形成能量纠缠引力波，能量纠缠引力波和电磁波两者均是能量波。

电磁波方程和能量纠缠引力波方程的原理相同，量子纠缠场类似磁单极子场，因此，能量纠缠引力波在真空中的四个方程组为：

式中：D表示物质能良场；A表示量子纠缠场；ρm表示物质能量密度；ρe表示量子纠缠密度；Im表示物质能量流量；Ie表示量子纠缠流量；α0表示真空媒质的介质能常数；β0表示真空媒质的量子纠缠导率。

通过能量纠缠引力波的四个方程组可以得知：质量能量场是有源场，量子纠缠场是也是源场，量子纠缠流量和变化的量子纠缠场激发产生质量能量场，质量能量流量和变化的质量能量场激发产生量子纠缠场。

在真空中，可推导能量纠缠引力波的波速为：

能量纠缠引力波是质量能量场和量子纠缠场两者统一，能量纠缠引力波是类似电磁波的横波形式的能量波，能量纠缠引力波的波速是超光速的量子纠缠的速度，其波速高达10 亿倍光速。

引力的本质是能量纠缠引力波，依据波粒二象性，引力子是能量纠缠引力波的微观粒子形式，引力子是质量为零的玻色子，引力子在两个天体物质之间互相交换传递作用力，从而形成了牛顿万有引力。

能量纠缠引力波具有波长大的特点，引力子的直径非常小，引力子穿透能力强，能量纠缠引力波的速度是量子纠缠的超速度，因而，能量纠缠引力波是可以逃逸出黑洞约束，黑洞辐射是能量纠缠引力波辐射。

在图6中，进行DNA 双螺旋水管试验可以发现，一个管中流动水流，可以感应另外一个管中的彩色水变化，应该是能量纠缠引力波效应，类似法拉第电磁效应试验。

图6 双螺旋水管

依据变化的量子纠缠场激发产生质量能量场的原理，进行希格斯场机制的研究，引力子就是希格斯玻色子，基本粒子吸收了量子纠缠场的能量，量子纠缠场的能量转化为基本粒子的质量，质量就是能量，能量禁闭于微观粒子中就是物体的质量。

宇宙的本质是能量波，电磁波和能量纠缠引力波两种能量波分别传播了引力和电磁力，宇宙物体是同时辐射了电磁波和能量纠缠引力波，在物体辐射能量波时候损失了其质量，量子力学可实现四种力的大统一理论。

5 修正万有引力公式

牛顿利用开普勒定律发现了万有引力定理，万有引力是两个物体之间的吸引力，引力值大小是与两个物体质量乘积成正比，是与两个物体距离平方成反比，万有引力计算公式类似库伦公式。

爱因斯坦广义相对论是描述物质间引力相互作用的理论，牛顿万有引力公式是仅仅适合低速运动的物体，而爱因斯坦广义相对论可以处理强引力场状况下高速运动物质的引力问题。

广义相对论可以成功描述了水星近日点进动、太阳强引力场中光线的偏折和光线引力红移等问题。

爱因斯坦是利用黎曼几何学构建了广义相对论方程，广义相对论方程是一个非线性偏微分方程组，因而，广义相对论引力场方程的求解将是一个非常困难事情。

广义相对论可以描述在强引力场附近高速运动物质的引力场，广义相对论引力场方程是对牛顿万有引力公式的修正，其本质是在牛顿万有引力的基础上，是针对物质高速运动状态进行增加附加引力的修正。

电子束有电偏转和磁偏转两种情况，电偏转是与粒子的速度无关，而磁偏转与粒子的速度有关的，洛伦兹力公式为：

能量纠缠引力波是类似电磁波，高速运动物质周围会产生量子纠缠场，大质量恒星的量子纠缠场与高速运动物质的量子纠缠场两者相互作用，导致高速运动物质引力的附加项。

量子纠缠场是类似磁单极子，高速运动物质引力的附加项是量子纠缠场导致的，引力的附加项是一种类磁力，大质量恒星的量子纠缠场与M/r2成正比，高速运动物质的量子纠缠场与m和u成正比。

依据著名的爱丁顿光弯折试验结果，可以推理得知λ=1。

类似爱因斯坦水星进动的分析方法，依据式（12），可以推导得到水星进动角的百年速率。

代入水星数据，a=5.79×1010m，e=0.205 6，T=87.97 天，M=1.99×1 030 kg，G=6.67×10-11Nm/kg2，得到水星百年附加进动角为Δ =43.1″，基本上可与实际测量值相符。

对于强引力场状况下高速运动物质的引力计算问题，爱因斯坦广义相对论计算公式太复杂，万有引力计算可以采用式（11）简化计算，在牛顿万有引力公式基础上，增加考虑高速运动速度u的万有引力附加修正项，就可以具有足够的计算精度，万有引力附加修正项增加了万有引力数值，导致爱丁顿光弯折试验的角度增加，导致水星百年附加进动角有所增加。

6 结 论

本文进行旋转星系和旋转台风对比分析，提出旋转足球状奇点外宇宙模型；进行简并压力分析，探讨黑洞直径，进行宇宙大爆炸的原因分析，进行黑洞引力辐射研究；建立能量纠缠引力波的麦克斯韦方程组，进行引力子的分析研究，进行万有引力公式的简化修正。建立宇宙大统一的模型探讨，合理解释宇宙运动规律，进行本宇宙星系天体的动力学的演化分析，进行宇宙天体运动的过去、现在和未来的运动轨迹的研究，具有划时代的研究意义。